Badacz z Izraela otrzymał nagrodę za kwazikryształy

Daniel Shechtman uhonorowany został w tym roku przez Komitet Noblowski w dziedzinie chemii. Nagrodę w wysokości 10 mln koron szwedzkich (około 1,5 mln dolarów) otrzymał za odkrycie tzw. kwazikryształów. Zaobserwował kryształy z regularnymi koncentrycznymi kręgami złożonymi z dziesięciu elementów. To przeczyło prawom krystalografii, wcześniej uznawano istnienie takich struktur za niemożliwe. Przyjmowano, że mogą się składać najwyżej z sześciu elementów.

– Moim marzeniem w dzieciństwie było studiowanie inżynierii mechanicznej. Po lekturze „Tajemniczej wyspy", którą jako chłopiec przeczytałem 25 razy, pomyślałem, że jest to najlepsza rzecz, jaką może robić człowiek. Inżynier z powieści zna się na mechanice i fizyce; tworzy podstawy funkcjonowania wyspy z niczego. Właśnie taki chciałem być – mówi o sobie noblista. – Niemal wszystkie ciała stałe, od lodu do złota, składają się z uporządkowanych kryształów (...). Ale tego typu kryształów nie uwzględniały International Tables for Crystallography (międzynarodowe tablice krystalograficzne).

A jednak możliwe

„W owym czasie środowisko naukowe uznawało po prostu, że wzór z dziesięcioma kropkami położonymi na okręgach nie może istnieć" – stwierdza komunikat prasowy Komitetu Noblowskiego. Środowisko naukowe odniosło się początkowo sceptycznie do odkrycia, niektórzy badacze posuwali się nawet do wyśmiewania go. Shechtmanowi zarzucano popełnienie błędu metodycznego, zwykłe pomylenie ciała stałego z obrazem powstałym z nałożenia się na siebie dwóch różnych kryształów.

Jednym z najzacieklejszych krytyków Shechtmana był słynny uczony Linus Pauling, dwukrotny laureat Nagrody Nobla. „To pokazuje, że nawet najwięksi naukowcy mogą zostać zablokowani przez konwencjonalne myślenie. Otwarty umysł i śmiałość kwestionowania uznawanej wiedzy może w rzeczywistości być dla naukowca najważniejszą cechą charakteru" – stwierdza Komitet Noblowski w uzasadnieniu tegorocznej nagrody.

Bardzo praktyczne

Własności fizyczne kwazikryształów są w większości takie jak klasycznych kryształów. Oprócz tego wykazują one właściwości charakterystyczne wyłącznie dla siebie. Na przykład, wykazują słabe przewodnictwo cieplne i elektryczne, przy zachowaniu wysokiej twardości, odporności na czynniki chemiczne i korozję.

Dzięki temu stosuje się je do produkcji całej gamy „plastików" – materiałów i substancji przeciwkorozyjnych, ochronnych, izolacyjnych. Kwazikryształy zawarte są w najbardziej wytrzymałej szwedzkiej stali – tworzą w niej twardą warstwę, rodzaj ochronnego pancerza. Znajduje ona zastosowanie między innymi w produkcji ostrzy do golenia czy igieł do operacji okulistycznych.

Kwazikryształy umożliwiają zamianę ciepła na energię elektryczną, pomagają odzyskiwać energię cieplną wytwarzaną np. przez samochody. Obecnie prowadzone są prace nad wykorzystaniem kwazikryształów do powlekania naczyń kuchennych, do produkcji energooszczędnych diod LED i warstw izolacyjnych w silnikach.

Daniel Shechtman odkrył kwazikryształy w kwietniu

1982 roku. Podczas jednego z doświadczeń w szybko schłodzonym stopie glinu i manganu zaobserwował niekrystalograficzną pięciokrotną oś symetrii.

Pomogła matematyka

Doświadczenia przeprowadzone przez innych badaczy potwierdziły obserwację Shechtmana. Mimo to przez wiele lat naukowcy nie potrafili wyjaśnić, jak dochodzi do powstawania takich struktur.

Pomoc nadeszła z nieoczekiwanej strony. Okazało się, że wzory arabskich mozaik z XIII wieku nie powtarzają się, mimo że do ich układania wykorzystywano bardzo małą liczbę elementów. „Nieskończenie" różnorodne wzory, ułożone z kilku rodzajów kafelków, zdobią np. pałac Alhambra w Hiszpanii i świątynię Darb-e Imam w Iranie.

Próbowano odnaleźć reguły umożliwiające taką różnorodność. Matematyk Roger Penrose wykazał, że można wykonać mozaikę z niepowtarzającymi się wzorami, używając dwóch elementów – wąskiego i szerokiego rombu.

Alan Mackay przeprowadził eksperyment, który pomógł zrozumieć, jak wyglądają kwazikryształy. Sporządził model mozaiki Penrose'a, w którym na styku elementów umieścił otwory imitujące atomy. Model ten, po podświetleniu, przypominał obraz z dziesięcioma elementami kwazikryształu odkrytego przez Shechtmana.

prof. Andrzej Katrusiak

Zakład Chemii Materiałów na Wydziale Chemii UAM: Przez kilka lat nie chciano uwierzyć w odkrycie dzisiejszego noblisty z chemii. W wyniku jego badań trzeba było na nowo stworzyć definicję kryształu. Do początku lat 90. twierdzono, że kryształami są tylko te substancje, w których istnieje pewien prosty rodzaj symetrii – symetria translacyjna, niewystępująca w kwazikryształach. Po odkryciu Shechtmana zmieniono tę definicję.  Odkrycia dokonano 27 lat temu i izraelski uczony nominowany był do Nagrody Nobla od 20 lat. Nie otrzymywał jej wcześniej, bo część naukowców przez wiele lat nie wierzyła w jego odkrycie. Są już wykonywane naczynia wysokiej jakości, które są pokrywane materiałami kwazikrystalicznymi.

prof. Janusz Wolny

Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie: Znam Shechtmana od dłuższego czasu. Jest sympatyczny, życzliwy, otwarty. Od dawna postulowaliśmy z kolegami, żeby za swoje osiągnięcia dostał Nobla. Długo walczył o publikację swojego odkrycia. Wszyscy go wyśmiewali i odsyłali do podręczników, żeby przekonać go, iż to, co twierdzi, jest niemożliwe. Ze swoim odkryciem noblista przebił się dopiero po 2,5 roku. To było jak włożenie kija w mrowisko. Przeciwko Shechtmanowi stawało wielu naukowców, m.in. Linus Pauling, który przeciwko tezie Shechtmana stawiał swoją karierę. Badania nad kwazikryształami dają szansę na wykorzystanie materiałów odpornych na działanie różnych czynników. Pierwsze były słynne patelnie o powłoce metalowej, do której nic nie przywierało, która nie rdzewiała.